共通テスト「化学」全問解説

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模式図をかいて、それをみながら考えた方が速いです。

 

融解塩電解ですが、あくまで「模式図」なので細かいことは気にすることないです。

水溶液の電気分解と同じく、電流の向きと電極が確認しやすい図にしましょう。

こんなものでいいです。むしろ、わかりやすいように、このくらいがいいです。

 

ただし、融解塩電解なので、下の部分は水溶液ではありません。

水分子（H₂O）は含まれず、ナトリウムイオン(Na⁺)と塩化物イオン（Cl⁻）だけが存在しています。

（さらに正確にいえば、この操作は空気（酸素）に触れない状態で行われます。）

 

それでは、選択肢をみていきましょう。

 

先ほども述べましたが、こういうタイプの問題では、正解の選択肢は明らかな（判断しやすい）誤りを含んでいるのがパターンです。選択肢を順にみていけばいいですが、少しでも迷ったら、ためらわずに保留にすればいいです。（なお、問題そのものが、選択肢の順に検討していけば考えやすいようにつくられています。）

 

 

選択肢①：先ほどつくった図の、陰極のところに「Fe（鉄）」、陽極のところに「黒鉛（C）」と書き込んでみましょう。

 

電流の正体は、電源の－極から＋極に移動する電子（e⁻）の流れです。

陰極には、どんどん電子が送り込まれてきますし、陽極では、電子が離れていく反応が起こります。

問題ないですね。

 

「もし、逆だったら・・・」を想定すると、判断しやしです。

 

もし、陽極がFe（鉄）であったら、直接電源につながれている鉄から先に電子が奪われます。

「Fe　→　Fe²⁺　＋　2e⁻」などの反応が起こり、鉄がイオンとなって溶けだしていく反応が起こるかもしれません。

 

でも、ここでは鉄は陰極なので、特に問題はありません。鉄は、イオンになるとしたら陽イオンになります。

いくら電子が送り込まれてきても、影響されません。

 

なお、解説は加えましたが、実際のテストのとき、すぐに判断できなければ、「保留」ということで、全然いいですよ。

 

 

選択肢②：図をみて考えればよいです。

 

陰極には－の電気をもった電子が送られてきます。

融解塩の中には水分子がないので、このマイナスの電気をもった電子を引き受けられるのは、陽イオンであるナトリウムイオン（Na⁺）しかありません。

 

よって、陰極では・・・

「Na⁺　＋　e⁻　→　Na」の反応が起こり、単体のナトリウムが生成します。（下図参照）

 

一方、陽極では電子を奪う反応が起こりますが、融解塩の中に－の電気の電子を余分に持っていて離しやすい塩化物イオン（Cl⁻）があります。

 

塩化物イオンが陽極にひきよせられ、そこで電子を離し塩素原子にもどり、それが2つくっついて塩素分子（Cl₂）となり発生します。（下図参照）

反応式は、「2Cl⁻　＋　2e⁻　→　Cl₂」です。

 

よって、この選択肢は正しいです。

選択肢③：生成する物質の物質量の関係を確認したいので、この融解塩電解全体の化学反応式をつくりましょう。選択肢②で確認したように、「塩化ナトリウム」が分解し、「ナトリウム」と「塩素」が生成します。

 

左右の原子の数を、係数で合わせて・・・

「2NaCl　→　2Na　＋　Cl₂」・・・と、なります。　

 

係数が反応する（生成した）物質の物質量の比を表しますので、この反応式からわかることは・・・

 

「ナトリウムの単体が2mol生成するとき、気体の塩素が1mol生成する。」・・・ということです。

 

この選択肢が、明らかにあやまりです。（ほらね。明らかだったでしょ？）

 

 

選択肢④も確認しておきましょう。これも大切なことがらです。

 

ナトリウム（Na）はアルカリ金属で、イオン化傾向がたいへんに大きいです。

また、イオン化傾向が大きいということは、単体ではいられにくい、ということです。

 

天然に、ナトリウムの単体なんて存在していません。

すべて、化合物の成分やイオンとして存在しています。

 

ですので、ナトリウムの単体を得る・・・というのは、ものすごくたいへんな操作です。

高校の化学室の装置では無理でしょう。

 

塩化ナトリウム水溶液を電気分解しても、陰極では水分子が引き寄せられ電子を受けとって、「水素（H₂）」が発生します。（「2H₂O　＋　2e⁻　→　H₂↑　＋　OH⁻」）

 

では、単体のナトリウムを得るためにはどうすればよいか？

・・・ということで考えられたのが融解塩電解です。

 

化合物である「塩化ナトリウム（NaCl）」を高温で融解し、それを直接電気分解すれば、その中に含まれているのはナトリウムイオン（Na⁺）と塩化物イオン（Cl⁻）だけなので、ナトリウムの単体が得られるということです。

 

正解：③

 

 

 

選択肢①解説補足：これがもし逆で、陽極が鉄だったとしても、何の問題もありません。

なぜなら、この融解塩電解の目的は、ナトリウムの単体を得ることだからです。

 

塩素の単体なんて、他の方法（例：塩化ナトリウム水溶液の電気分解など）で、簡単に得られます。

 

陰極を鉄にすると、塩素が発生する代わりに鉄がイオン化するかもしれませんが、そんなことはどうでもいいということです。

 

 

・・・「正解の（誤りを含む）選択肢は明らかな誤りを含んでいる」、「①のような選択肢は、どんどん『保留』にすればよい」・・・とは、こういうことをふまえて、言っています。

 

 

 

 

Ⅰ：「金属のイオン化傾向」は、周期表と同じくらい大切です。

これが入っていないと、多くの化学的ことがらを解釈できません。

 

こういう問題が出たら、まず与えられた元素をイオン化傾向の順に書き出してみましょう。

これは、必須（必ずやらなければいけない）の作業です。

次のようになります。

 

「　Zn , Sn , Pb , (H) , Ag　」

・・・（（H）より大きいか小さいかが、もっとも重要ですし、覚えるときもこれを基準に覚えるものなので、（H）も入れておきましょう。）

 

「イオン化傾向が大きい」ということは、「反応性に富む（反応しやすい）」・・・ということです。

 

「希硫酸に溶ける」というのも反応なので、希硫酸と反応したア、イが左から2つのZn（亜鉛）とSn（スズ）、反応しなかったウ、エがその後のPb（鉛）とAg（銀）だと判断してよいです。

 

（注：正確にいうと、（H）の左側（イオン化傾向が強い側）が、希塩酸や希硫酸と反応するグループです。鉛も希硫酸に反応しますが、反応してできる硫酸鉛（PbSO₄）は水に溶けにくく、鉛の表面がこれで覆われてしまうので、ほとんど反応が進まず、鉛は硫酸にほとんど溶けません。また、同じようなしくみで、塩酸にも溶けません。）

 

 

Ⅱ：ウなのでPbかAgなのですが、2価の塩化物というので、PbCl₂（塩化鉛）のことです。

Agの塩化物はAgCl（塩化銀）で、1価です。

 

この時点で、ウがPb、エがAgと決まります。

 

なお、この「熱水には溶ける」という部分は、「陽イオンの分離と確認」操作の単元で、重要になってくる内容です。

 

銀イオン（Ag⁺）と鉛イオン（Pb²⁺）は、塩酸を加えると、ともに白色沈殿を生じます（AgClとPbCl₂）。

 

これを分離するために、PbCl₂は熱水に溶けるという性質を（AgClは熱水にも溶けません）利用します。

AgClとPbCl₂を含む水溶液に熱水を加えると、Pb²⁺は水溶液中に溶け出し、AgClは沈殿として残るので、分離することができます。

 

 

Ⅲ：ウはPbですので、Pbの同族元素はZnとSnのどちらか？・・・ということになります。

もちろん、周期表のそんな下の方まで覚えておく必要はありません。

 

でも、学校の無機物質の単元の授業でスズ（Sn）と鉛（Pb）は、同じところで扱いましたよね。

スズと鉛は、同じ14族の元素です。

 

イオン化傾向列でもスズと鉛はとなりですし、記憶があいまいでも、そういうところから同族元素だろうと判断して大丈夫です。

 

正解　　　ア：③　　　イ：④

 

 

 

 

鉄（Ⅱ）イオン（Fe²⁺）と鉄（Ⅲ）イオン（Fe³⁺）の検出には、それぞれ対になる酸化数の鉄原子を含む、ヘキサシアニド鉄（Ⅲ）酸カリウムとヘキサシアニド鉄（Ⅱ）酸カリウムの水溶液を加えます。

どちらも濃青色の沈殿を生じます。それぞれ「ターンブル青」、「ベルリン青」といいます。

 

（Ⅱ）には（Ⅲ）、（Ⅲ）には（Ⅱ）ということなので、覚えやすいはずです。

 

ヘキサシアニド鉄（Ⅲ）酸カリウムの化学式は、K₃［Fe（CN)₆］（Feの酸化数は「－3」）、

ヘキサシアニド鉄（Ⅱ）酸カリウムの化学式は、K₄［Fe（CN)₆］（Feの酸化数は「－2」）、です。

 

「CN」の酸化数が「－1」と考えると、Kの数から、このFeの酸化数－3、と－2も解釈できます。（CNの酸化数がなぜ－1とできるかについては、きりがないのでここでは省略します。「電気陰性度をもとにした酸化数の定義」で、解釈できます。プレテスト「化学基礎」で、わかりやすく説明していましたので、そちらを紹介しておきます。プレテスト「化学基礎」の解説記事はこちらです。この中の第2問です。）

 

選択肢③のK₃［Fe（CN)₆］に含まれるFeの酸化数を確認すると「＋3」になっています。

2価のFe²⁺を検出したいので、これが正解です。

 

正解：③

 

選択肢④：Fe³⁺イオンが含まれている溶液に、チオシアン酸カリウム（KSCN）水溶液を加えると、血赤色の溶液になります。印象的な色なので、こちらもFe³⁺の検出試薬として重要です。

（Fe²⁺とFe³⁺の検出反応については、最後に図にまとめます。）

 

 

選択肢①は「硫化水素H₂Sによる陽イオンの分離操作」に関連することですし、選択肢④は有機化合物の話で、まったく関係ないフェイクの選択肢かと思いましたが、そうでもないですね。

 

Fe²⁺、Fe³⁺、ともに塩基性の条件下で、硫化水素と反応し黒色の沈殿をつくります。

Fe³⁺はH₂Sの還元作用によりFe²⁺になってから反応しますので、どちらもできる沈殿はFeSです。

 

ただし、塩基性条件とは書いてありませんね。酸性条件と仮定してもいいはずです。

 

酸性条件では、Fe²⁺は硫化水素を加えても反応しません。

 

Fe³⁺を含む酸性の水溶液に硫化水素を加えると、Fe³⁺が硫化水素に還元されてFe²⁺になる反応だけが起こり、Fe²⁺はこれ以上変化しません。

 

一方、Fe³⁺が還元されると同時にH₂Sの中のS（S²⁻）が酸化されて、硫黄Sが生じます。

硫黄Sが生じるので、水溶液はにごります。

 

ですので、もし設問が「Fe³⁺が含まれていることを確かめる操作」だったら、この選択肢もまちがっているとは言い切れない、ということになります。

 

また、選択肢④：サリチル酸は、フェノール性ヒドロキシ基－OHを持っているので、塩化鉄（Ⅲ）水溶液によって呈色します。

 

塩化鉄（Ⅲ）による呈色は、鉄（Ⅲ）イオンFe³⁺によるものなので、これも、もし設問が、「Fe³⁺が含まれていることを確かめる操作」だったら、この選択肢もまちがっているとは言い切れない、ということになります。

 

共通テストは、練りに練られてつくられていますので、過去問を使った勉強では、こういうところまで突き詰めておくのが効果的でしょう。

 

 

なお、この設問が、もし「Fe³⁺が含まれていることを確かめる操作」だったとしても、Fe³⁺の検出試薬としては、ヘキサシアニド鉄（Ⅱ）酸カリウム（K₄［Fe（CN)₆］）やチオシアン酸カリウム（KSCN）などが一般的なので、こちらが出題されます。

 

選択肢①や②のように、奇をてらったもの（理屈だけで考えて、まちがいとは言い切れないもの）が正解として出題されることは、まず、ないので、ご安心ください。公のテストですからね。

 

 

 

 

式⑴だけをみて、考えればいいです。

また、「C₂O₄²⁻」を1つの原子団として、とらえることが、この問題のポイントです。

 

「酸化されてCO₂ になるC₂O₄²⁻ の物質量」は、直接は調べることはできませんが、左辺と右辺を比べてC₂O₄²⁻ が何mol減っているかを調べれば答えになります。

 

まず、問題の指定どおり式⑴で、［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ が、1molあったことにしましょう。

化学反応式の係数が物質量の比を表しますので、式⑴は・・・

 

1molの［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ から（左辺）、1molの［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ と0.5molのC₂O₄²⁻ と1molのCO₂が生成する（右辺）ことがわかります。

 

 

左辺から、みていきましょう。「C₂O₄²⁻」にだけ、注目すればよいです。

 

［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ 1つ（1mol）の中には、(C₂O₄)₃ なので、「C₂O₄²⁻」は3つ（3mol）含まれています。

左辺には、3molの「C₂O₄²⁻」があります。

 

 

次に右辺をみてみましょう。

 

まず、「［Fe(C₂O₄)₂］²⁻」とあります。

1つの錯イオンの中にある原子団「C₂O₄²⁻」の数が、3つから2つに減っています。

 

1molの［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ が生成し、その中に含まれる「C₂O₄²⁻」の物質量は、1×2より2molです。

また右辺、錯イオンの次に「C₂O₄²⁻」が、0.5molあります。ここまでで、2.5molです。

 

残り3－2.5＝0.5より、0.5molです。これが、CO₂に変化したC₂O₄²⁻ の物質量です。

「C₂O₄²⁻　→　2CO₂」の反応が起こりました。（正確には、この式の右辺には「＋2e⁻」が入ります。式⑴では、左辺から右辺にかけてFeの酸化数が＋3から＋2に変化していて、その分です。）

 

1molの［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ が反応するとき、0.5molのC₂O₄²⁻ が酸化されてCO₂になると確認できました。

 

 

正解：①

 

 

補足：「酸化されてCO₂ になるC₂O₄²⁻ 」は結局CO₂ になるので、式⑴のCO₂ との比較でも答えは出ますが、けっこう頭を使います。こちらの解法の方が、次の難しめの問題c の解法ともつながるのでいいです。

 

問題文の最初のページの「CO₂ に変化したC₂O₄²⁻ の量から」や、この設問で「酸化されてCO₂ になるC₂O₄²⁻ 」と、反応でなくなったC₂O₄²⁻ の方に着目するようにしているのは、出題者側の適切な誘導です。

 

 

 

 

 

一見、難しそうですが、必要な情報を適切にとり出せれば、わりと簡単です。（それが、たいへんなんですけどね。）

 

まず、設問が何を言いたいのかを、しっかりと読みとりましょう。

今調べたいのは、反応し変化した［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の割合です。（もちろん、物質量の割合として処理してよいです。）

 

この問題全体で、言っているのは・・・

 

反応後に残った［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量、または、反応後に生成した［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ の物質量が調べられるものならば、その数値を使って、反応で変化した［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の割合は、直接すぐに計算できます。

 

例えば、これがもっとも直接的ですが、 反応後に生成した［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ の物質量を調べた場合・・・

 

反応式から、1molの［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ から、1molの［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ が生成します。

反応で生成した［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ の物質量がそのまま、反応した［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量ということになります。

 

よって、「（反応で生じた［Fe(C₂O₄)₂］³⁻ の物質量）／（反応前の［Fe(C₂O₄)₃］²⁻ の物質量）〔（反応前の［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量）分の（反応で生じた［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ の物質量）〕」で割合が求められます。（百分率なので、これに100をかけて答えです。）

 

（反応前の［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量）は、わかりますし問題文でも0.0109molと与えられています。

 

ところが、（反応で生じた［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ の物質量）〔あるいは反応後に残った［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量〕、を調べるのは、無理っぽいです。

 

そこで、別の方法をとることになりました。

 

設問の文章中にある説明では・・・

「CO₂に変化したC₂O₄²⁻ の量」から、「反応した［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量（＝反応で生じた［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ の物質量）」を調べる方針で行くようです。

 

また、設問の流れも重視しましょう。

 

b問題で、［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ が1mol完全に反応すると、C₂O₄²⁻ 0.5molが酸化されCO₂ に変化することを確認しました。

 

逆にいえば、CO₂に変化したC₂O₄²⁻ の物質量を求めれば、それを2倍した物質量が、反応した［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量と決まります。

 

ということで、問題文に書かれているとおり、「CO₂に変化したC₂O₄²⁻ の量」を調べる方針で進めましょう。

 

ただし、「CO₂に変化したC₂O₄²⁻ の量」は直接は調べられません。

 

実験Ⅱの内容を、よく見直していみましょう。

 

2種類の錯イオン［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ と［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ からは、C₂O₄²⁻ を完全に遊離させることが、できるようです。

 

また、「CO₂に変化しなかったC₂O₄²⁻ の量」は調べられるらしく、それを使えば確かに「CO₂に変化したC₂O₄²⁻ の量」を調べられますね。

 

 

では、反応前後のC₂O₄²⁻ の物質量を、みていきましょう。

問題がよく出てきて、b問題と同じように調べられます。

 

反応前：錯イオン［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ は1分子の中に原子団C₂O₄²⁻ を3つ持っています。

この錯イオン0.0109molを用いて実験を行ったので、最初に存在したC₂O₄²⁻ の物質量は、0.0109mol×3より、0.0327molです。

 

 反応後：水溶液中のすべてのC₂O₄²⁻ が、カルシウムイオン（Ca²⁺）と塩（えん）をつくり、水和物として沈殿します。

 

この水和物について、質量と式量が与えられているので、物質量が計算できます。

146÷4.38＝0.03より、0.03molです。

 

水和物の化学式はCaC₂O₄・H₂Oなので、水和物1分子の中にC₂O₄²⁻ も1つ含まれています。

よって、反応後に残っていたC₂O₄²⁻ の物質量も、0.03molとわかりました。

 

したがって、「CO₂に変化したC₂O₄²⁻ の量」は、0.0327－0.03＝0.0027より、0.0027molです。

 

よって、反応した［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量は、その2倍で、0.0027×2＝0.0054より、0.0054molです。

 

これで、すべてそろいました。

 

もともとの、［Fe(C₂O₄)₃］³⁻ の物質量が0.0109mol、そのうちの0.0054molが［Fe(C₂O₄)₂］²⁻ に変化しました。もはや、この時点で答えは、わかります。だいたい半分くらいなので、50％ということでよいでしょう。

 

計算式も一応示しておきますと、求める割合は（注：分数はスラッシュ／で表します）、

「（0.0054／0.0109）×100＝49.5...」より、50％です。

 

正解：④

 

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以上です。ありがとうございました。

コメントなどいただけると、とてもうれしいです。

 

執筆：井出進学塾（富士宮教材開発）　代表　井出真歩